虛擬仿真在建筑環(huán)境專業(yè)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)踐

李俊梅 喬雅心 程樟 李炎鋒

[摘 要] 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)盡管具有很多傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不具有的優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)施過程也存在諸多問題。以本校開展的建環(huán)專業(yè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，總結(jié)了其實(shí)施過程中存在的不足，為進(jìn)一步改進(jìn)和完善仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)奠定了基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞] 虛擬仿真;建環(huán);實(shí)驗(yàn);本科教學(xué)

[基金項(xiàng)目] 2018北京工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)研究項(xiàng)目“虛擬仿真在建環(huán)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用探索”（ER2018C020602）

[作者簡(jiǎn)介] 李俊梅（1970—），女，河南新密人，博士，北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院建環(huán)系副教授，研究方向?yàn)榻ㄖ馂?zāi)安全及建筑節(jié)能。

[中圖分類號(hào)] G642.423 ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A ? ?[文章編號(hào)] 1674-9324（2020）43-0388-02 ? ?[收稿日期] 2020-03-18

一、引言

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程（建環(huán)）專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的重要組成部分，是建立學(xué)生工程意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)運(yùn)用能力、創(chuàng)新能力和實(shí)踐動(dòng)手能力，提高學(xué)生綜合素質(zhì)的重要實(shí)踐過程[1，2]。但在以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，存在著實(shí)驗(yàn)形式、內(nèi)容、要求越來越高與實(shí)驗(yàn)設(shè)備、器材、場(chǎng)地、經(jīng)費(fèi)的保障相對(duì)滯后等矛盾，這在一定程度上影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展和實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的提升。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)有針對(duì)性的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的不足，已經(jīng)成為可能。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有成本低、效率高、可擴(kuò)展性強(qiáng)、操作安全、高度開放、資源共享、隨技術(shù)發(fā)展更新?lián)Q代快等特點(diǎn)[2-4]，搭建建筑環(huán)境虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不僅可以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)因?yàn)閷?shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、教學(xué)經(jīng)費(fèi)等方面的不足，豐富實(shí)驗(yàn)資源，而且對(duì)于一些真實(shí)實(shí)驗(yàn)不具備或難以完成的實(shí)驗(yàn)如建設(shè)成本高、危險(xiǎn)性和破壞性較大的實(shí)驗(yàn)，虛擬仿真系統(tǒng)具有無可替代的優(yōu)勢(shì)[2]。

然而，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一種新型的實(shí)驗(yàn)方式和手段，在實(shí)施過程中也可能存在各種各樣的問題[4，5]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)能否達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)，仍需通過相關(guān)的實(shí)踐來進(jìn)行進(jìn)一步的檢驗(yàn)和完善。本文以我校建筑環(huán)境專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，對(duì)虛擬仿真在建筑環(huán)境專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了初步的探索，對(duì)其在實(shí)施過程中存在的問題進(jìn)行了分析，為進(jìn)一步完善虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提升其實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果奠定基礎(chǔ)。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

針對(duì)我校建筑環(huán)境專業(yè)中傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地不足，專業(yè)實(shí)驗(yàn)中過于分散的設(shè)備系統(tǒng)無法集中呈現(xiàn)等問題，我校先期開發(fā)了空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)管網(wǎng)性能虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)、室內(nèi)環(huán)境氣流組織仿真模擬平臺(tái)、建筑能耗分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，用于現(xiàn)有專業(yè)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充與拓展。

“空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)管網(wǎng)性能虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)”開發(fā)的主要目的是使學(xué)生借助于該模擬仿真，更加直觀化、系統(tǒng)化地學(xué)習(xí)并實(shí)踐管網(wǎng)壓力分布圖、風(fēng)機(jī)性能曲線、管網(wǎng)特性曲線、風(fēng)機(jī)與管網(wǎng)的匹配等理論知識(shí)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)克服了實(shí)地測(cè)量真實(shí)風(fēng)管系統(tǒng)的不便，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，了解風(fēng)系統(tǒng)管網(wǎng)的壓力分布，以及風(fēng)機(jī)性能與管網(wǎng)的配合關(guān)系，學(xué)習(xí)繪制管網(wǎng)壓力分布圖、風(fēng)機(jī)和管網(wǎng)特性曲線圖，掌握管網(wǎng)性能的相關(guān)理論[6]。

“室內(nèi)環(huán)境氣流組織仿真模擬平臺(tái)”主要借助于CFD模擬軟件，模擬不同建筑結(jié)構(gòu)、不同外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能、不同送回風(fēng)方案及送風(fēng)參數(shù)作用下，房間內(nèi)的溫度環(huán)境及氣流組織分布?？照{(diào)工況下建筑室內(nèi)環(huán)境的好壞與空調(diào)室內(nèi)的氣流組織密切相關(guān)。傳統(tǒng)的理論教學(xué)只是給出了送、回風(fēng)口布置、送、回風(fēng)參數(shù)選擇的一般原則，并給出了氣流組織計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式。

但在實(shí)際工況中，室內(nèi)的氣流組織、溫度分布與室內(nèi)冷熱負(fù)荷的分布、外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的性質(zhì)以及送、回風(fēng)口的布置和送、回風(fēng)參數(shù)密切相關(guān)，而經(jīng)驗(yàn)公式并不能給出系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行后室內(nèi)環(huán)境的真實(shí)狀況，通過模擬仿真就可以解決此方面的難題。虛擬仿真可以直觀給出某種設(shè)計(jì)工況下室內(nèi)的氣流組織、溫度分布及人體的熱舒適度分布，并依此判斷設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣，在空調(diào)的設(shè)計(jì)方案選擇中具有不可替代的作用，彌補(bǔ)了經(jīng)驗(yàn)公式的局限性，豐富了理論教學(xué)的內(nèi)容。

“建筑能耗分析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”借助于建筑環(huán)境設(shè)計(jì)模擬分析軟件DeST，通過實(shí)施模擬分析，使學(xué)生從整體上了解建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、室外氣象參數(shù)、室內(nèi)的冷熱負(fù)荷的時(shí)空分布、冷熱源的選擇對(duì)建筑能耗的綜合影響，為建筑節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化運(yùn)行提供指導(dǎo)。

三、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施及存在的問題

利用上述虛擬仿真平臺(tái)，我們?cè)?013級(jí)、2014級(jí)、2015級(jí)、2016級(jí)的本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)行了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐。針對(duì)虛擬仿真，我們就實(shí)驗(yàn)開設(shè)的必要性、虛擬仿真的效果及存在的問題開展了相關(guān)的問卷調(diào)查工作。

在65個(gè)有效調(diào)查問卷中，有86%的學(xué)生認(rèn)為專業(yè)教學(xué)中有必要開設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn);78.4%的學(xué)生認(rèn)為，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開設(shè)有助于對(duì)所學(xué)專業(yè)知識(shí)的理解和掌握;與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，50%以上的學(xué)生認(rèn)為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)在于可以進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)工況、可以隨時(shí)在計(jì)算機(jī)上操作、不擔(dān)心損壞儀器等。但多數(shù)學(xué)生對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的不足也有一定的認(rèn)識(shí)，64.8%的學(xué)生認(rèn)為對(duì)由于虛擬仿真軟件編制的背景不了解，不知道結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性;58%的學(xué)生認(rèn)為實(shí)驗(yàn)過程過于理想化，和真實(shí)實(shí)驗(yàn)的感覺有差距。在針對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的建議中，47.1%的學(xué)生認(rèn)為教師在實(shí)驗(yàn)前應(yīng)首先對(duì)軟件編制的理論基礎(chǔ)進(jìn)行講解。

從上述的初步調(diào)查結(jié)果可以看出，盡管虛擬仿真實(shí)驗(yàn)達(dá)到了初步設(shè)定的教學(xué)目標(biāo)，但在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的初步實(shí)施過程中，也還存在著諸多問題。

首先，虛擬實(shí)驗(yàn)由于軟、硬件的限制，并不能完全地呈現(xiàn)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過程，對(duì)實(shí)驗(yàn)中的不可控因素也不能進(jìn)行有效地模擬，如風(fēng)管氣流調(diào)試實(shí)驗(yàn)中，氣流的突然變化、管子的漏風(fēng)、散流器的真實(shí)氣流分布等，純粹的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力和現(xiàn)場(chǎng)處理實(shí)際問題的能力的提升幫助有限。

第二，在虛擬實(shí)驗(yàn)過程由于不用擔(dān)心儀器和設(shè)備的損壞及故障，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中缺乏真實(shí)實(shí)驗(yàn)中的謹(jǐn)慎和負(fù)責(zé)態(tài)度?；诖?，在實(shí)際條件允許的情況下，實(shí)驗(yàn)教學(xué)還是應(yīng)盡可能多地開展真實(shí)實(shí)驗(yàn)，做到能“實(shí)”不“虛”。針對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)，有條件的話，最好能開展虛實(shí)實(shí)驗(yàn)的對(duì)比，讓學(xué)生了解虛擬實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)的主要區(qū)別。能實(shí)不虛，虛實(shí)結(jié)合是解決此類問題的根本途徑。

四、小結(jié)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)壳氨M管開展地如火如荼，但虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在實(shí)施過程中也存在一定的問題。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開設(shè)應(yīng)結(jié)合學(xué)校和專業(yè)的教學(xué)實(shí)際和學(xué)科特點(diǎn)，在實(shí)施過程中如何與理論課程和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合、如何設(shè)定相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，開發(fā)相對(duì)完善的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，彌補(bǔ)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的不足，仍是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要深入研究的內(nèi)容。

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